高速列車自動(dòng)駕駛可行性研究

中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心 孫景輝 焦芳芳 胡正偉

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高速列車自動(dòng)駕駛可行性研究

中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心 孫景輝 焦芳芳 胡正偉

【摘要】本文首先介紹了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的組成及應(yīng)用。其次闡述了地鐵自動(dòng)駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案。最后對(duì)高速列車應(yīng)用自動(dòng)駕駛技術(shù)的可行性進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)駕駛；實(shí)現(xiàn)方案；可行性

1　引言

由于無人駕駛技術(shù)能使列車整個(gè)運(yùn)行過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，使得車輛按照接近優(yōu)化的運(yùn)行曲線進(jìn)行運(yùn)營，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。同時(shí)，列車不設(shè)駕駛員，也節(jié)省人力成本。此外，全自動(dòng)化運(yùn)營也可避免人為操作失誤導(dǎo)致的運(yùn)營故障。因此，近年來自動(dòng)駕駛在軌道交通領(lǐng)域日漸升溫，本文在介紹地鐵自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案之后，對(duì)高速列車應(yīng)用自動(dòng)駕駛技術(shù)的可行性進(jìn)行研究。

2　自動(dòng)駕駛系統(tǒng)組成

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無人駕駛功能，其由列車自動(dòng)控制系統(tǒng)［1］（Automatic Train Control，簡稱ATC）實(shí)現(xiàn)。ATC系統(tǒng)包括三個(gè)子系統(tǒng)：（1）列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，簡稱ATS），ATS系統(tǒng)由控制中心、車站、車場以及車載設(shè)備組成。ATS系統(tǒng)在ATP系統(tǒng)的支持下完成對(duì)列車運(yùn)行的自動(dòng)監(jiān)控。（2）列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)（Automatic Train Protection，簡稱ATP），ATP系統(tǒng)由地面設(shè)備、車載設(shè)備組成，監(jiān)督列車在安全速度下運(yùn)行，確保列車一旦超過規(guī)定速度，立即施行制動(dòng)。（3）列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（Automatic Train Operation，簡稱ATO），ATO子系統(tǒng)是控制列車自動(dòng)運(yùn)行的設(shè)備，由車載設(shè)備和地面設(shè)備組成，在ATP系統(tǒng)的保護(hù)下，根據(jù)ATS的指令實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的自動(dòng)駕駛、速度的自動(dòng)調(diào)整、列車車門控制。

實(shí)現(xiàn)無人駕駛功能，其系統(tǒng)組成如下圖1所示：

圖1　自動(dòng)駕駛系統(tǒng)組成

3　自動(dòng)駕駛技術(shù)的應(yīng)用

目前自動(dòng)駕駛技術(shù)主要應(yīng)用在地鐵等城市軌道交通，我國目前地鐵車輛主要采用有人駕駛的自動(dòng)化運(yùn)行模式。國外目前全自動(dòng)駕駛技術(shù)的應(yīng)用日趨成熟，但若發(fā)生一些設(shè)備故障或突發(fā)事件，后續(xù)處理依然存在一些缺陷，仍需要更完備的運(yùn)營規(guī)則和處理準(zhǔn)則。例如：在運(yùn)行過程中出現(xiàn)制動(dòng)設(shè)備故障或車門故障，若依然需要牽引的話，將存在一定的安全隱患。

4　地鐵自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

地鐵的駕駛模式［2］分為三種：（1）人工模式時(shí)，司機(jī)操作司控器駕駛列車。（2）STO模式（即列車發(fā)車由司機(jī)確認(rèn)啟動(dòng)，列車牽引、制動(dòng)、停車、開關(guān)門都由信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)）時(shí)，司機(jī)根據(jù)提示按壓ATO啟動(dòng)按鈕后駕駛列車。（3）UTO模式（即在整個(gè)運(yùn)營過程中都無人參與操作，包括列車在停車場內(nèi)的運(yùn)行、洗車等，列車在線路上的運(yùn)營及列車內(nèi)部的空調(diào)、乘客信息系統(tǒng)、照明等系統(tǒng)都可實(shí)現(xiàn)無人操作）時(shí)，完全由信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行圖時(shí)刻表控制列車運(yùn)行。

圖2顯示，系統(tǒng)控制傳輸路徑為由控制中心和信號(hào)系統(tǒng)地面設(shè)備控制車載ATC（列車自動(dòng)控制）設(shè)備，通過MVB（多功能車輛總線）或硬線信號(hào)傳輸?shù)絋CMS（列車控制管理系統(tǒng)）、TCU（牽引控制單元）、BCU（制動(dòng)控制單元）。

此外，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的列車還需具備喚醒功能、休眠功能、停車功能、遠(yuǎn)程功能、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、障礙物檢測系統(tǒng)以及更加強(qiáng)大的診斷功能等。

圖2　列車牽引、制動(dòng)自動(dòng)駕駛控制框圖

5　高速列車自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用可行性

高速列車由于其系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)行速度高、發(fā)展歷史相對(duì)較短，目前在全球范圍內(nèi)還沒有真正的自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用的案例，但一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也正在開展這方面的研究。高速列車要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛需要解決以下幾個(gè)方面的問題：

5.1運(yùn)行控制系統(tǒng)需要升級(jí)

目前高速列車運(yùn)行控制系統(tǒng)列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)［3］，即ATP。根據(jù)接收到的軌道信號(hào)、速度和應(yīng)答器信息，計(jì)算出列車速度曲線和目標(biāo)距離，同時(shí)采集列車的實(shí)際速度，并實(shí)時(shí)計(jì)算出列車的位置，根據(jù)這些信息判斷實(shí)際速度是否小于曲線要求的速度，判斷列車的位置是否在授權(quán)的位置上，如果有一項(xiàng)不符合則輸出制動(dòng)。主要實(shí)現(xiàn)的是超速保護(hù)功能。如要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，運(yùn)行控制系統(tǒng)必須增加列車駕駛控制功能即可以通過控制列車的牽引制動(dòng)實(shí)現(xiàn)加速、減速、停車、啟動(dòng)等功能。還需要配套的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車在庫內(nèi)、站場、車站等的自動(dòng)監(jiān)控，列車才可根據(jù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的指令實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的自動(dòng)駕駛、速度的自動(dòng)調(diào)整、列車車門控制。

5.2高速列車控制系統(tǒng)需要升級(jí)

高速列車控制系統(tǒng)需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性和可靠性，提高系統(tǒng)設(shè)備的冗余性；列車的診斷系統(tǒng)要進(jìn)一步完善，診斷范圍需要進(jìn)一步增加，診斷的準(zhǔn)確性也需要提高；車內(nèi)需要新增定位停車系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。

5.3地面配套系統(tǒng)需要升級(jí)

地面控制中心需要進(jìn)行升級(jí)，滿足對(duì)列車運(yùn)行控制、監(jiān)視、應(yīng)急處置的需要；地面配套系統(tǒng)要能夠配合車載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

5.4信息交互系統(tǒng)需要升級(jí)完善

需要升級(jí)和完善信息系統(tǒng)，滿足地面控制中心、運(yùn)行控制系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)三者間實(shí)時(shí)、可靠的信息交互需求。

6　總結(jié)

若實(shí)現(xiàn)高速列車自動(dòng)駕駛不僅可節(jié)省人力成本，也可避免人為操作失誤導(dǎo)致的運(yùn)營故障。由于實(shí)現(xiàn)高速列車自動(dòng)駕駛存在著一些困難和挑戰(zhàn)，因此需要在新技術(shù)的引領(lǐng)下不斷攻堅(jiān)克難，其也會(huì)成為未來的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)

［1］劉海軍.降低城市軌道交通工程造價(jià)及運(yùn)營費(fèi)用的一個(gè)有效途徑——先進(jìn)合理的列車自動(dòng)控制ATC系統(tǒng)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009（11）.

［2］張海濤，梁汝軍.地鐵列車全自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)方案［J］.城市軌道交通研究，2015（5）.

作者簡介：

孫景輝，工程師，現(xiàn)供職于中車唐山機(jī)車車輛有限公司。